探究智能用电网络数据采集与通信机制

鲍亚英 陈险宁 鲍亚男 赵连江 王哲

摘要：智能用电网络通信机制先进，数据监测频率为传统通信机制的10多倍，在信息吞吐量方面降低90%以上，其在计算和核心设备控制方面的运行负荷也降低了90%以上，网络规模扩大，实用性提升。

关键词：智能用电；网络数据采集；通信机制

1智能用电网络的概述

智能用电网络属于典型的用户侧信息物理系统，它主要以信息能量网关为核心，通过能效终端来连接各个用电设备，具有计算、通信等多项功能。为了优化智能用电网络的数据采集与通信机制，满足现实应用需求，可以配合信息物理系统理论，提出基于时间驱动与事件驱动的多智能数据采集与通信体制，构建机制混合动态系统，并进行实验验证智能用电网络的实时性、数据吞吐量与网络规模。

2分析智能用电网络的数据采集和通信应具备的特点

2.1实时性

在现实应用场景中，需要实时获知物理设备的工作状态及当下的物理环境，进而实时计算出符合当下目标的最优的控制策略。特别是当出现突发状况时，要及时下达控制指令，对目标设备和周围环境进行干预。

2.2动态可变性

动态可变性是指交互界面下数据的非确定及不可预测性。

2.3可信性

为了实现信息物理系统精确控制、远程协调和自治的高级功能，在进行数据采集、传输、计算和反馈的过程中，需要保证数据的正确性、可靠性及安全性。

2.4多样性

智能用电网络中存在多种类型的数据，如表征电器运行状态及表征周围物理环境的各种参数，这些目标监测参数共同构成了数据的多样性，并为更加准确的识别和预测监测设备的运行状态和能效水平提供了支持。

2.5海量性

随着物理信息系统的不断更新和发展，其规模、功能等都有所升级，物理设备在实时监控和交互时会产生大量数据。

2.6通信设备资源有限

目前应用在用户侧信息物理系统的嵌入式物联网设备，特别是无线局域网通信设备具有低功耗、低成本、低通信速率、资源和功能高度有限等特点，使得这些设备的计算速度、数据处理能力、信息传输速度都十分有限。可知，智能用电网络通信设备的资源有限性和采集数据的实时性、动态可变性、海量性和多样性在某种程度上是矛盾的。为了兼容这两种要求，需要先分析用电设备状态参数曲线特性，根据其特性，在采样保真度得到保证的前提下，尽可能减少通信量。

3智能用电网络数据采集与通信机制设计

实时了解用电设备状态参数变化情况，并进行采样的目的是使智能用电网络能够识别用电设备的运行状态，评估其能效情况，对它进行精确控制等。将状态参数曲线频率设置为f，已知数据可变，得出f为不定值，用电设备状态为非工作或稳定工作，f→0；反之，状态不稳定，f→N，N为实数。即

其中，W（tj）、Ws、Wb分别表示用电设备在tj时刻、稳定、非稳定情境下的工作状态。该系统通过精确记录设备动态及稳定工作过程，以符合信息物理系统的实时性特征。根据已知的采样定理，当采样频率fs比信号最大频率两倍还大时，可实现原始信号的还原，即

基于前端数据采集设备考量，其数据采样过程呈现持续性特征。采样最小间隔由设备芯片各次循环花费時间决定，对应采样频率为，依据智能用电网络情况可知，动态情境下的用电设备，即使采样频率非常高，也能符合采样定理要求，保证真实性。基于计算控制核心设备考量，整体系统采样设备与前端设备的数据上报通信频率相关，后者是否上报数据又受时间响应和事件响应判定结构影响。倘若有足够的条件设立通信机制，当用电设备状态为Wtj时，响应机制判断为真的概率P（Wtj）满足：

该情境下，系统是不定频率fws的采样，且

这一数据采集和通信机制的优势在于不仅与信息物理系统实时性要求吻合，而且使核心计算设备和通信模块的压力得到了缓解。

4智能用电网络通信机制混合动态系统

4.1分析建模

将嵌入式系统构建作为智能用电网络数据采集和通信机制混合动态系统创建起点，注重嵌入式系统与物理过程的结合。智能用电网络通信机制混合动态系统主要是事件状态和混合系统控制相结合。智能用电网络要依托应用限制条件和现实场景需求，划定系统状态，科学规划状态转移条件，减少信息系统和物理系统异构性差异。

4.2形式化规格

它借助数学符号，对系统安全运行状态下的必须属性进行描述。线性时序逻辑功能在于对混合系统轨迹要求进行准确描述，用于系统属性展示。主要通过线性时序逻辑对智能用电网络通信机制混合动态系统属性进行表述。在这一表述过程中可知系统的不变量是由其包含的安全性和活跃性来构建的。

4.3分析可到达性

系统是否与时序化逻辑公式表达的形式化规格算法吻合由模型检测来确定。该过程以计算系统可到达状态集为核心。混合动态系统的状态空间很大，常规模型检测方式不具备适用性，多采用符号化模型检测方法，应用原理为依托命题逻辑公式对某个状态集进行符号化表示，继而直接在状态集合上处理模型检测。该研究以混合动态系统为基础，借助智能插座和信息能量网关，对该机制原型系统进行开发，从而验证智能用电网络数据采集与通信机制的高效与否。无论是智能插座的核心处理芯片，还是通信方式都是依据实验本身择优选取的，能量信息网关选用的是因特尔生产的Quark系列网关Riban，ATOM处理器，CPU基准频率是400MHZ。

5结语

总之，作为最重要的用户侧信息物理系统实现方式，智能用电网络在构建方面具有低成本、低功耗等诸多优势，而且其在数据采集与通信方面的实时性与动态可变性也非常实用。

参考文献：

[1]郏琨琪，何光宇.智能用电网络数据采集与通信机制的研究[J].中国电机工程学报，2016（6）.

[2]刘军利，李大勇.智能用电网络数据采集与通信机制的研究分析[J].科技经济导刊，2017（14）.

（作者单位：国网葫芦岛供电公司）